2011 International Pittsburgh Coal Conference Pittsburgh, PA September 12 – 15, 2011 Abstract Submission TOPIC: CARBON MANAGEMENT POSTER PRESENTATION COMPARISON OF CO 2 FROM COAL CAPTURE PROCESSES AND VALORISATION TECHNOLOGIES TO ENHANCE ENERGY SUPPLY Mercedes Martín-González, Mining Engineer, Universidad Politécnica de Madrid (UPM) Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas Alenza 4. 28003 Madrid. Spain [email protected]Phone: +34 615 920 664 Fax: +34 914 570 055 Carmen Clemente-Jul, Professor at the Universidad Politécnica de Madrid (UPM) Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas Alenza 4. 28003 Madrid, Spain [email protected]Phone: +34 913 366 985 Fax: +34 913 366 948 Abstract: Coal is the most plentiful and evenly distributed fossil fuel worldwide. Based on current production, it is estimated that the reserves will last approximately 130 years. Its use worldwide has been increasing, mainly due to consumption by emerging countries. CO 2 emissions generated by combustion and the repercussions of such on climate change support the view that it could no longer be used. CO 2 capture may be the solution to continue using it, which would cater for the growing energy demand worldwide. The aim of this study is to compare different processes concerning CO 2 capture that may be economically viable, ultimately showing that coal, a fossil energy source widely distributed around the world, can, as a result of using different CO 2 capture processes, be used as a clean source of electricity. Hence, in places where geological hurdles may render the costs of CO 2 storage considerably higher, since it might have to travel far, coal may be used for other purposes, thus valorising CO 2 within the industrial sector. This research is focused on the technical and economic comparison of the most relevant CO 2 capture projects designed in Spain using different existing technologies. The oxyfuel project in Ciuden (Leon, Spain), the IGCC Elcogas, precombustion CO2-capture project (Puertollano, Spain) and the postcombustion project in Carboneras (Almeria, Spain) will be analyzed in order to assess the options available to valorise captured CO 2 . Valorising captured CO 2 may be an adequate solution in areas where, although CO 2 capture is still possible, storage is not equally so, thus generating a further benefit. The possible uses of CO 2 will be assessed in vegetable growing greenhouses, harnessing CO 2 in vegetable life cycles. This will also be used in growing algae for subsequent biodiesel production. Both CO 2 capture and valorising will eventually lead to the clean use of coal, which will thus enhance the level of self-supply, aiding the development of electric vehicles, which require large amounts of electricity, as well as improve the level of energy autonomy in countries around the world. Another type of fuel, biodiesel, will also be obtained, without this affecting international food prices. Keywords: CO 2 capture, clean coal, valorising technologies Objetivo de la Tesis
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2011 International Pittsburgh Coal Conference
Pittsburgh, PA
September 12 – 15, 2011
Abstract Submission
TOPIC: CARBON MANAGEMENT
POSTER PRESENTATION
COMPARISON OF CO2 FROM COAL CAPTURE PROCESSES AND VALORISATION TECHNOLOGIES
TO ENHANCE ENERGY SUPPLY
Mercedes Martín-González, Mining Engineer, Universidad Politécnica de Madrid (UPM)
El presente abstract extended fija las líneas maestras de la futura tesis, en la que se pretende demostrar cómo el uso sostenible del
combustible mejor repartido mundialmente que es el carbón, puede ayudar a los países productores a mejorar su seguridad de
suministro, a equilibrar sus importanciones, y a valorizar el CO2 capturado de tal manera que dicho CO2, sea el alimento de algas para
la fabricación de bio diesel. De esta forma el uso del carbón para la generación de electricidad de manera limpia contribuirá al
desarrollo del coche electrico y del alimentado por biodiesel, haciendo de las ciudades, lugares exentos de contaminación, y
repercutiendo positivamente en la economía de los países.
1 Introducción
1.1 Cambio Climático.
Para entender por qué las emisiones de CO2, están afectando al cambio climático y buscar soluciones técnicas, económicas y de
compromise politico, que al menos atenúen el problema debemos de ser conscientes de cómo se ha alterado el ciclo de carbono y
cómo este desajuste se relaciona con el efecto invernadero.
Ciertos gases de efecto invernadero surgen naturalmente, mientras que otros son de origen antropogénico. En lo que se refiere al
proceso de eliminación, todos los gases de efecto invernadero ( H20, O3, CH4, N20 ), se eliminan en buena parte a través de
reacciones químicas o fotoquímicas dentro de la atmósfera. Por el contrario el CO2, entra en mayores cantidades dentro de lo que se
conoce cómo ciclo del carbon, que se ha visto desjustado en los últimos años. Por tanto el problema del CO2, no es si carácter nocivo,
pues en un gas necesario para la vida, sino su problemática radica en su elevada concentración en la atmósfera que desequilibra su
ciclo natural.
Los cambios más significativos en la concentración de CO2 estudidados, mediatne los núcleos de hielo de Vostok, se relacionan
principalmente con los ciclos glaciares. Aunque los ciclos glaciares se asocian más directamente con cambios en la órbita de la Teirra,
estos cambios también afectan al ciclo del carbon, que a su vez afecta al ciclo glaciar.
Es en los últimos 1000 años, cuando podemos hacer un zoom a la correlación entre CO2 y temperatura, destacando los últimos 40
años, podemos ver que se rompe la tendencia histórica, y se aprecia el aumento de temperature.
En los últimos meses también han aparecido diversos trabajos, que desvinculan al CO2 de la única culpabilidad del cambio climático
y probablemente nos encontremos ante una unión de muchos factores no antropogénicos que están provocando la subida de la
tempertatura. Como en las leyes que gobiernan el comportamiento de la Tierra no podemos influir, si nuestra órbita está más o menos
lejos del Sol, si el polo magnético cambia a más o menos velocidad, etc, no podemos hacer nada salvo estudiarlo. Sólo lo nos queda
por tanto un único trabajo, redurcir las emisiones de gases de efecto invernadoro y entre ellas el CO2. Pues nuestro deber es no esperar
al futuro e intentar adivinar qué provocó tal o cuál efecto. Sino anticiparnos y tratar de reducir las emisiones, todo lo posible,
intentando aunar el desarrollo ecológico de manera soportable y viable, con el desarrollo económico y social.
1.2 Seguridad de suministro.
Es importante destacar este concepto, que debe ser admitido por la sociedad cómo uno de los problemas a resolver del siglo XXI, en el
que están implicadas, tanto las políticas económicas cómo el desarrollo tecnológico.
La excesiva dependencia energética que existe en numerosos países, principalmente de los miembros de la UE, provoca fuertes
desequilibrios en sus balanzas de pagos, que ven cómo aumenta cada día su deuda externa.
Ahondando en la problemática de la seguridad de suministro, debemos tener presente la convulsa situación que viven los mercados
energéticos nacionales cómo consecuencia de los últimos aconteciminetos geopolíticos. Respecto a la energía nuclear, al accidente de
la central de Fukushima, hay que añadir la decision de Italia y Alemania de prescindir de la energía atómica. Sin olvidar los recientes
conflictos en Libia en material de petróleo, los cortes de suministro de gas a centro Europa desde Rusia, y la conflictividad
permanente de Oriente en material de gas y petróleo.
Abandonar las explotaciones de carbón, reducir su presencia, y por tanto depender energéticamente de países geopolíticamente
conflictivos, no sólo pone en riesgo el suministro del combustibles (gas y petróleo) ante determinadas crisis, sino que deja a los
gobiernos y empresas de los países dependientes desprovistos de fuerza a la hora de negociar el suministro energético del país,
haciéndolo vulnerable y cómo consecuencia emprobreciendolo.
La Captura de CO2, tanto su almacenamiento cómo su valorización, es claramente una solución económicamente rentable para los
países productores de carbón, que ven cómo las presiones de la contaminación y del cambio climático, empujan al abandono de este
combustible. Por lo tanto, su uso limpio, proporciona seguridad de suministro, contención de los precios de la producción eléctrica,
apoyo a la intermitencia de las energías renovables, es fuente de empleo de calidad, y facilitará claramente la posibilidad al desarrollo
del coche eléctrico, ya que necesita de un aporte de electricidad, independiente de las condiciones climáticas, generalmente en horas
nocturnas, por lo que se necesitará un mix equilibrado de generación electrica, dónde el carbón con captura de CO2 tendrá que estar
presente.
2 Captura transporte y almacenamiento de CO2. Proyectos en España.
En noviembre de 2007 se publicó el Plan Estratégico Europeo de Tecnología Energética [1]
en que queda de manifiesto los esfuerzos
que la Unión Europea deben realizar para producir energía competitiva, segura y sostenible y qu lso retos relacionados con el cambio
climático, seguridad de suminstro energético y competitividad requieren una respuesta coordinada.
De esta manera en los últimos años se han finacioado proyectos estratégicos de investigación tanto a nivel internacional. A nivel
europeo la Plataforma “ Zero Emissions Power” (ZEP)[2]
, formada por empresas, científicos, académicos y organizaciones no
gubernamentales con el objetivo de cooperar en los temas de captura y almacenamiento de CO2 ( CCS).
En España existe la Plataforma Tecnológica Española de CO2 [3]
. El alcance general de esta Plataforma es abordar un desarrollo
tecnológico en España que contribuya a disminuir el impacto de las emisiones de gases de efecto invernadero en España. Su éxito se
está en primer lugar en la numerosa participación de empresas y organimos públicos, y en la difusión de cara a la aceptación social de
la Captura y al Almacenamiento de CO2.
De los proyectos de I+D de CCS en España, podemos decir que se están desarrollando diversas tecnologías que comprenden desde el
Oxifuel en la planta de Compostilla ( ENDESA) + CIUDEN en el Bierzo ( León, Spain) , a la Carbonatación Capturación, proyecto de
la empresa pública de minería de carbón HUNOSA+ ENDESA +Foster Wheeler, (Asturias, Spain), el IGCC de ELCOGAS (
Puertollano, Spain), y la central de ENDESA en Carboneras, (Almería, Spain) en la que se está desarrollando tecnología de
postcombustión.
2.1 Captura en Post-Combustión.
La captura en Post Combustión se refiere a la separación del CO2 de la corriente del gas de salida del proceso de combustion. En el
caso de las plantas de carbón pulverizado exitentes en los parques de generación de muchos países, incluído España, pueden ser
subcríticas, supercríticas o ultra-supercríticas, dependiendo de la presión a la que trabajan.
En la actualidad es el método más usado a nivel industrial para la separación de CO2 de Corrientes diluídas en concentraciones bajas.
En este sistema, el CO2 se ha separado de los gases de escape producidos durante la combustión (principalmente N2) con aire de un
combustible (carbón, gas natural etc.). Para su captura posterior, entre los procesos más viables se encuentran el ciclo de Calcinación
Carbonatación y la absorción química con aminas.
a)Absorción química.
En este proceso el CO2 reacciona con un líquido de absorción. Para ello se utilizan compuestos químicos (aminas y nuevos
absorbentes en investigación) con gran afinidad de compuestos ácidos (CO2) y se usan como solventes formulados, en una mezcla
especial para atenerse a la tarea de separación. Algunos de ellos también contienen activadores para promover la transferencia de masa
en la absorción. En la tabla 1 se muestran solventes usados comúnmente para llevar a cabo esta tarea.
Tipo de solvente Ejemplo
Aminas primarias Monoetanolamina (MEA)
Diglicolamina (DGA)
Aminas secundarias Dietanolamina (DEA)
Diisopropanolamina (DIPA)
Aminas terciarias Metildietanolamina (MDEA)
Trietanolamina (TEA)
Soluciones de sal alcalina Carbonato de potasio
Tabla 1 de solventes utilizados en el proceso
Actualmente los siguientes procesos de solvente están comercialmente disponibles para el tratamiento del CO2.
1. Kerr-McGee/ABB Lummus Crest Process (Barchas and Davis, 1992).
2. Fluor Daniel ECONAMINE Process (Sander and Mariz, 1992, Chapel et al., 1999).
3. Kansai Electric Power Co., Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Process (Mimura et al.,2000).
El detalle del proceso se observa en la figura 2. El sistema se descompone en dos etapas principales: absorción y regeneración
(incremento de temperatura y consumo de energía).
Figura 1 Detalle del proceso de absorción química
Las etapas del proceso se describen básicamente en el esquema de la figura 3. Detallamos las etapas del sistema.
1. El gas que contiene el CO2 se pone en contacto con un absorbente líquido capaz de capturar el CO2.
2. El absorbente cargado con CO2 se transporta a otra torre donde se regenera mediante cambios de temperatura o presión y
libera el CO2.
3. El absorbente regenerado se envía de nuevo el proceso de captura de CO2.
4. Para contrarrestar las pérdidas de actividad del absorbente, se introduce siempre nuevo absorbente.
Figura 2. Etapas del proceso de absorción química
Al utilizar este sistema no se pueden despreciar sus características básicas de operación, que pueden determinar su viabilidad. Dentro
de ellas mencionamos:
1. La reacción química del proceso se realiza a alta temperatura.
2. El sistema consta de un reactor a modo de absorbedor y otro que actúa de regenerador de la amina.
3. El proceso de regeneración requiere un considerable consumo de energía.
4. El sistema necesita de un tratamiento previo a los gases de combustión, debido a que las aminas son altamente atacables por
los óxidos de nitrógeno y azufre (NOx y SOx)
b) Ciclo de calcinación/carbonatación Esta combinación de procesos se basa en la absorción química, usando como sorbente a la caliza. Definiendo separadamente, la
carbonatación es una reacción exotérmica donde los reactivos CO2 y CaO reaccionan para producir CaCO3. La energía que se
desprende de esta reacción es de 430 kcal/kg CaCO3. La calcinación en cambio es el proceso inverso, pues produce la desorción del
CO2 y CaO mediante la descomposición de la caliza en presencia de calor.
Figura 3.Esquemas de funcionamiento de la tecnología calcinación/carbonatación
Las etapas de este proceso son.
1. La corriente de gases a tratar se toma antes de la entrada a la desulfuradora (D.G.C.).
2. El proceso propuesto trabajará en dos lechos fluidos circulantes interconectados, trabajando a una temperatura de 650 ºC el
que actúa como carbonatador, y a 875 ºC el que trabaja como calcinador.
3. El calcinador trabajará en oxi-combustión, con el objetivo de generar una corriente alta de CO2 en los gases de salida.
4. La recuperación de calor en el nuevo ciclo propuesto se realizará mediante un ciclo agua-vapor supercrítico
c) Adsorción física:
Básicamente se encarga de utilizar materiales capaces de adsorber el CO2 generalmente a altas temperaturas, para luego recuperarlo
mediante procesos de cambio de temperatura o presión (procesos TSA y PSA respectivamente). Entre los adsorbentes se encuentran
principalmente los carbonos activos y las zeolitas.
El proyecto más emblemático de post-combustión y valorzación de CO2, se está desarrollando en la central de Carboneras ( Almería,
Spain),
2.2 Captura en Pre-Combustión
Otra forma de captural el CO2, es aumentar su concentración y su presión parcial antes de llevar a cabo la combustion. Esto require la
separación del CO2 una vez el carbón es gasificado y convertido en un gas de síntesis rico en carbono en hidrógeno. Uno de los
proyectos bandera de la Unión Europea procedente del VI programa Marco de la UE, es ELCOGAS, situado en la localidad de
Puertollano ( Ciudad Real, Spain). Se trata de un IGCCde 335 MWe que emplea cómo combustible una mezcla del 50% de carbón
autóctono procedente de la mina a cielo abierto de ENCASUR ( Mina Emma), propiedad de la empreas eléctrica ENDESA, y coque
de petroleo procedente de la refinería situada en la mismal localidad y propiedad de le empresa REPSOL. De hecho la proximidad a la
emblemática refinería hacen de ELCOGAS una de las centrales idóneas para la captura y posterior valorización de CO2, sirviéndo este
último cómo alimento para una futura plantación de algas para la fabricación de biodiesel en las instalaciones de la refinería propiedad
de REPSOL.
ELCOGAS, ha desarrollado una planta experimental de 14 Mwe con captura de CO2, con obtención de H2, y que está en
funcionamiento desde la primavera del 2010.
La planta piloto se alimenta con aproximadamente el 2 % del gas de síntesis producido en la planta GICC, es decir, 3.600 Nm3/h (base
seca) que equivalen aproximadamente a 14 MWt.
Modos de operación
El gas de síntesis puede alimentarse a la planta piloto desulfurado (denominado gas dulce), es decir, aguas abajo de la unidad de
desulfuración de la central GICC o aguas arriba de este sistema de desulfuración (denominado gas ácido), ya que ésta está diseñada
para poder operar con ambos tipos de gases. Así el gas dulce denominado gas limpio presenta las características que se muestran en la
siguiente tabla.
Presión: 22.6 bar
Temperatura: 137.6 ºC
Caudal: 3.600 Nm3/h
Potencia: 14 MWt
Composición (% volumen)
CO 60.4
H2 22.0
CO2 2.6
N2 14.0
Ar 1.0
Tabla 2 Características del gas de síntesis limpio que se alimenta a la planta piloto
La composición del gas sin desulfurar (ácido) varía ligeramente respecto a la anterior ya que presenta además H2S y COS.
A continuación se presenta el diagrama de bloques del proceso de la planta piloto, así como su integración con la planta GICC, tanto
en gas de alimentación (gas dulce o limpio, y gas ácido o bruto) como en el destino de las corrientes (todas las corrientes generadas se
devuelven al proceso por medio de un compresor existente).
Figura 4. Esquema Planta Piloto Caputra de CO2 y producción de H2 de ELCOGAS
La planta piloto consta fundamentalmente de tres etapas bien diferenciadas tal y como se muestran en el siguiente esquema
(incluyendo su integración con la planta de GICC) que se describen a continuación.
Figura 5. Recreación 3D de la planta piloto identificando sus unidades
Etapa nº 1: Conversión con vapor de agua (Unidad de conversión de CO2)
Esta primera etapa tiene por objeto modificar la composición del gas de síntesis, mayoritariamente formado por CO e H2, para
aumentar su contenido de CO2 e H2.
En esencia, el proceso consiste en que el gas de síntesis procedente de la central GICC se desulfura en el reactor de desulfuración
(consistente en un lecho relleno de absorbente de base óxido de Zn), se le inyecta vapor de media presión saturado utilizando un
mezclador estático para conseguir una buena homogeneización de la corriente y posteriormente se calienta en un precalentador a 310
ºC. A continuación, pasar por dos reactores catalíticos de conversión (shift) –suministrados por Johnson-Matthey- en donde se produce
la conversión del CO a CO2 e H2 según la siguiente reacción química:
CO + H2O = CO2 + H2
Así la mezcla gas-vapor se alimenta al primer reactor shift, que es de alta temperatura y se produce la reacción de conversión hasta
alcanzar 480ºC. Tras una etapa de enfriamiento intermedio la temperatura del gas se reduce a 350ºC y entra en el segundo reactor shift
donde reaccionará hasta 390ºC aproximadamente permitiendo avanzar la reacción hasta el grado de conversión conveniente. Tras la
conversión, el gas convertido se enfría en dos precalentadores hasta 160 ºC, produciéndose vapor de agua a muy baja presión. A
continuación, se enfría en un aerorrefigerador hasta 80ºC y finalmente termina de enfriarse alcanzando 45ºC.
Tras este paso se obtiene un gas más rico en H2 y con mayor contenido en CO2 que el original, cuya composición es la siguiente (%
volumen):
Unidad de
conversión de CO2
Unidad de
captura de CO2 Unidad
PSA
Edificio eléctrico
y de control
Presión 5.9 bar
Temperatura 45 ºC
Composición (% volumen)
H2 50.0
CO2 39.5
CO 3.0
N2 + Ar 9.5
Tabla 3. Composición del gas enriquecido en H2 (tras la etapa nº 1 de la planta piloto)
Etapa nº 2: Separación del CO2 e H2 (Unidad de captura de CO2)
Esta segunda etapa tiene como misión separar de la corriente del gas el CO2 y conseguir un gas más enriquecido en H2, para ello se
utiliza un proceso no selectivo de absorción química.
Así, el gas enriquecido en H2 procedente de la etapa de conversión (5.700 Nm3/h, ya que tras su paso por el “Shift Converter” aumenta
el flujo de gas a tratar) se alimenta por el fondo a una columna de absorción de CO2, mientras que el absorbente entra por cabeza de la
misma. El gas se lava en contracorriente con una disolución de amina (aMDEA, Metil-Di-Etanol-Amina activada) que permite
capturar el CO2. Tras la captura del CO2, se obtiene una corriente concentrada en H2 (denominado hidrógeno bruto) que sale por la
cabeza de la columna de absorción cuya composición es:
Presión 15.6 bar
Temperatura 40 ºC
Composición (% volumen)
H2 77.4
CO2 6.5
CO 2.9
N2+ Ar 13.2
Tabla 4. Composición del H2 bruto tras la segunda etapa de la planta piloto
Esta corriente de hidrógeno bruto se puede enviar a la turbina de gas de la central GICC o pasar a la siguiente etapa de la planta piloto.
La amina cargada de CO2 se alimenta a una columna de desorción donde el gas es desorbido por aumento de la temperatura y
disminución de la presión. De esta forma, la amina se regenera y vuelve a la etapa de absorción en circuito cerrado tras ser enfriada.
En la columna de desorción se obtiene una corriente muy concentrada en CO2 de 100 t/día que se puede alimentar a la turbina de gas o
se puede ventear a la atmósfera. El porcentaje de captura de CO2 se estima que sea superior al 90 %.
Etapa nº 3: Purificación del H2 (Unidad PSA)
Esta tercera etapa permite obtener H2 puro partiendo de la corriente del hidrógeno bruto (77.4% de pureza) producido en la anterior
etapa.
Así, una parte del H2 bruto producido en el anterior paso (40 %) pasa a esta etapa para su purificación y el resto del H2 bruto
producido se conducirá a la turbina de gas.
El proceso de purificación consiste en separar los productos que acompañan al hidrógeno en esta corriente (CO2, CO, N2, Ar) por
medio de una unidad de PSA (Pressure Swing Absorption) en la que estas sustancias quedan atrapadas en un sistema absorbedor de
lechos múltiples de material filtrante, mientras que el H2 pasa a través de ellos libremente. Estos lechos operan en ciclos alternativos
de adsorción y regeneración una vez que se agota su poder de captación para proporcionar un flujo continuo y constante de corriente
de hidrógeno. La unidad de purificación consta de cuatro etapas: adsorción, despresurización, regeneración final con purga a baja
presión y re-compresión.
Una PSA, en su forma más simple, requiere dos lechos adsorbentes, de modo que mientras uno está en la etapa de adsorción el otro
realiza las tres etapas de regeneración. Con un mínimo de cuatro lechos se minimizan las pérdidas de H2 originadas en la etapa de
descompresión, al utilizarse el gas desorbido para aumentar la presión de otros lechos en etapa de re-compresión.
La capacidad de producción estimada de H2 puro es 2 t/día y su pureza final prevista del 99.99 % volumen (pureza para usos
comerciales). Se espera una recuperación total del H2 superior al 95 %.
El gas pobre generado en las fases de regeneración de la PSA denominado gas de cola, puede ser enviado también a la turbina de gas o
puede utilizarse como fuente de calor en otros procesos.
Figura 6. Detalle de la unidad de purificación de H2 (Unidad PSA)
La siguiente tabla resume las principales características de las corrientes de entrada y salida de la planta piloto:
Características del gas de síntesis limpio (entrada a planta piloto)
Caudal 3.600 Nm3/h (base seca)
CO (% volumen) 60.5
H2 (% volumen) 22.1
Características de las corrientes de salida de CO2 e H2 (salida de planta piloto)
Producción de CO2 100 t/día Porcentaje de captura de CO2 > 90%
Producción de H2 puro 2 t/día Pureza H2 puro 99.99%
Producción de H2 bruto 5 t/día Pureza H2 bruto 77.4 %
Tabla 5. Resumen de las características técnicas de la planta piloto
Dentro de los hitos alcanzados por esta planta, cabe destacar que la obra civil se inició en el año 2008 y que la puesta en marcha tuvo
lutar en mayo de 2010, consiguiendo su primera tonelada de CO2 capturada en octubre de 2010.
Podemos considerar que la tecnologia IGCC puede claramente contribuir a la captura de CO2 con varias ventajas en nuestro caso,
además de disponer de un uso evidente de valorización do CO2 para la fabricación de biodiesel procedente de algas, la masiva
producción de H2, supone un verdadero uso industrial para la fabricación de pilas de combustible.
2.3 Captura en Oxyfuel.
Este proceso se realiza durante la combustión y tiene un largo recorrido como tecnología aplicada. Básicamente consiste en la
utilización de oxígeno en lugar de aire para la combustión, de ahí que los gases de escape están compuestos principalmente de H2O y
CO2, que puede separarse fácilmente del vapor de agua mediante condensación.
Se presenta un esquema básico de funcionamiento. Esta tecnología es utilizada en centrales de nueva generación con ciclos agua-
vapor extremadamente crítico, así como también en Turbinas de Gas con o sin calderas de recuperación.
Figura 7. Esquema de Oxifuel.
Figura 8. Diseño y esquema de operación de la oxi-combustión
Al ser una tecnología que está actualmente desarrollándose, existen muchos proyectos de investigación en el tema buscando mejores
desempeños y eficiencias de costos. En la siguiente tabla se presentan los aspectos más importantes a desarrollar en los diferentes
aspectos de esta tecnología.
Tabla 6. Aspectos a desarrollar en la calcificación/carbonización
Aspecto del proceso
Áreas críticas de desarrollo
ASU (Unidad de separación de aire) 1. Destilación criogénica. Consumo de auxiliares.
2. Membranas cerámicas que incrementan la eficiencia.
Combustión O2 1. Combustión, ignición, estabilidad de llama,
temperaturas y perfiles de llama.
2. Volumen del hogar. Absorción térmica por unidad de
superficie.
3. Grado de recirculación CO2.
Filosofía de operación 1. Flexibilidad de operación.
2. Integración de la ASU.
3. Disposición chorros de O2 puro, CO2 recirculado y
transporte de carbón.
Emisiones 1. La cinética del NOx en llamas de carbón no es
aplicable.
2. Cinética del SO2.
3. Composición de las cenizas.
Materiales 1. Propiedades de operación a largo plazo y altas
temperaturas.
2. Ensayos de materiales avanzados ultrasupercríticas.
3. Potencial de corrosión para carbones con altos
contenidos de cenizas, S, Cl.
En el seno de la UE, cabe destacar la planta de demostración de Vattenfall ( Alemania) y la planta de demostración de El Bierzo (
León, España) , ambas cuentan con financiación de la UE.
3 Valorización el CO2. Proyectos.
La seguridad de suministro, y la posibilidad de desarrollar una forma de transporte más ecológica, cómo el coche electric, necesitan de
una fuente no intermitente y contínua de energía convencional que no dependa de las variaciones climáticas y que por tanto
complemente y de soporte al desarrollo de las energías renovables, cuya presencia aumentará exponencialmente en los próximos años.
El uso del carbón de manera límpia, capturando el CO2 va a ser una realidad y una necesidad en los próximos años.
Almacenar el CO2 es una de las posibles soluciones, que además podrán permitir la recuperación de mayor cantidad gas natural.No
sólo se debe buscar cómo única solución con el CO2 capturado su enterramiento, sino que el aprovechamiento del CO2 de manera
industrial debe ser investigada por la comunidad científica para que las emisiones procedentes de la escala comercial de los próximos
proyectos de captura de CO2 puedan ser absorbidas de manera competitive.
Además de los aprovechamientos actuales de CO2 cómo en la alimentación, tratamientos de agua, y procesos industriales, existen
otras posibilidades.
En España se están desarrollando dos proyectos importantes de valorización de CO2.
3.1. Proyecto Invernaderos.
La central de Carboneras ( Almería, Spain), propiedad de la empresa eléctrica ENDESA, está muy próxima a la mayor extension
europea de invernaderos para la producción de tomates.. Estamos hablando de una superficie de 26.500 hectáreas ( el equivalente
a 65.500 acres), dónde las necesidades de CO2 son potencialemente enormes. El Dióxido de Carbono inyectado en los
invernaderos aumenta el rendimiento de los cultivos.
3.2. Proyecto alga biodiesel.
En España se están desarrollando varios proyectos para la generación de microalgas que usarán el CO2 capturado para la creación
de biodiesel.
Uno de los más importantes se realiza también en la central de Carboneras (Almería, Spain), que junto con la inyección del
dioxido de carbon en los invernaderos, la sitúan cómo la central que está más próxima a desarrollar la valorización del CO2.
Carboneras en uno de los proyectos impulsados por el programa de investigación CENIT CO2 [4]
impulsado por el Ministerio[5]
de
Ciencia e Innovación de España.
Otro proyecto importante en el desarrollo de las microalgas para la generación de biodiesel, está liderado por la empresa española
REPSOL, dónde una de sus refinerías está situada en la misma localidad que la central térmica IGCC de ELCOGAS, cómo se ha
visto en el apartado 2. El CO2 capturado en ELCOGAS servirá cómo alimento a las microalgas.
Las ventajas de las plantaciones de microalgas, en general radican en ser uno de los organismos fotosintéticos más eficientes en
utilizer la energía solar, del 8% frente al 2% del resto de cultivos. Existen estimaciones productividades tan altas cómo 60-80
toneladas de peso seco por hectárea (2,47 acres) al año, mientras que para el resto de cultivos convencionales, se producen del
orden de 10 a 30 toneladas.
La fabricación de biodiesel en los citados proyectos españoles en fase de demostración, se obtendrán de 150 a 300 Kg de
biodiesel por hectárea al día.
Respecto a los costes de producción y según Y.Chisti[6]
estima que para la producción de biomasa de microalga cuesta 2,95 $ si
procede de tecnología en fotobirreactores , más barato que en los sistemas de carruseles cuyo precio de obtención sería de 3,50 $.
Estas estimaciones asumen que el CO2 estaría disponible sin ningún coste, algo que no es correcto, pero que sí se abarataría
mucho con la producción a gran escala de la CSS y la proximidad de los sistemas de producción de algas a las fuentes
generadoras de CO2. Para la producción de annual de biomasa de 10.000 toneladas, el coste de producción por kilogramo se
reduce a 0,47 $ en el caso de fotobiorreactores y de 0,60 $ para sistemas abiertos de carrusel. La biomasa tiene en torno al 30% de
aceite en peso cuyo coste de producción estaría entre 1,40 y 1,81 $. Un precio razonable sería de 0,48 $ por lo que el objetivo
estratégico sería reducir sus costes de producción.
El desarrollo de estos proyectos, estudiando el tipo de alga más idónea, los subproductos que se obtengan en una biofefinaría próxima
y su mayor valor añadido, cómo los fertilizantes, el biogas, y productos farmacéuticos que se puedan derivar del proceso en la
refinería.
4 Repercusiones económicas en un país productor. Caso España.
En la actualidad se producen en España 9 millones de toneladas ( hard coal) que alimentan a un total 8 centrales eléctricas que
consumen carbón en un mix generalmente 60% carbón autoctono, con 40% de carbón domestico. La generación de electricidad de las
centrales eléctricas que consumen carbón en España generan en torno al 20% de la electricidad del país. Prescidir de esta tecnología
por las emisiones de CO2, sería una catastrofe económíca en un país productor. Estamos hablando de que las centrales eléctricas de
carbón deberían ser por tanto sustituídas por otras centrales térmicas de combustible importado.
En la actualidad se está hablando de la edad de oro del gas natural. Para un país como España supone una dependencia total de este
combustible en el caso de cerrar la minería del carbón. No debemos olvidar que el éxito de los ciclos combinados alimentados con
gas,es su alta eficiencia que supera el 65% del rendimiento y que por lo tanto provoca una menor emisión de CO2 a la atmósfera, pero
también esta tecnología se enfrenta al reto de la captura del CO2, si quiere considerarse una tecnología limpia.
Por tanto, prescindir del carbón, y pasar a una dependencia del gas natural para un país cómo España, que su único combustible de
origen fósil es el gas, procova un fuerte desequilibrio en su deuda externa. En la acttualidad el 50 % de las importaciones en España
proceden de los productos energéticos. Una condena económica que empobrece a un país dependiente energéticamente del exterior en
ás del 87%, superando ampliamente la media europea.
En términos de económicos, las inversiones necesarias para la generación térmica superan los 15.000 de euros, que deberían ser en
plantas nucleares o de ciclo combinado de gas. Además, dichos ciclos combinados deberían desarrollar plantas de captura de CO2.
Incrementando en 5000 millones de euros la inversion.
La importación de combustible para España que sustituyera al carbón domestico está entorno a los 4000 millones de euros al año.
El ahorro y la eficiencia energética es un reto a conseguir, pero también las previsiones de crecimiento de la demanda en los próximos
años sustituirá el hueco térmico libre debido al ahorro.
Por tanto, permanecer con las plantas térmicas de carbón, y capturar el CO2. Supone una inversion para España de solo 5000 millones
de euros, y un ahorro anual de combustible de más de 4000 millones de euros.
5 Beneficios ligados a la captura de CO2. Coche eléctrico. Ciudades limpias.
La captura de CO2 para la combustion del carbón es un reto que debe ser apoyado por los gobiernos y la comunidad internacional. Las
reservas de carbón en el mundo superan los 140 años de consumo. Tiempo suficiente para el desarrollo de las tecnologías renovables,
que sean capaz de almacenar la energía que demande la sociedad en el futuro.
Su disponibilidad mundial, lo coloca cómo el combustible que lleva asociada menos conflictividad mundial. Casi todos los países
poseen reservas de carbón, bien de lignito pardo o bien de hard coal.
El desarrollo del coche eléctrico, dependerá claramente de los precios de la electricidad a futuro y éstos a su vez de las tecnologías,
que se utilicen para la generación de electricidad.
La generación de electricidad con carbón, tiene un coste medio de 45€/MWh, frente La generación con captura de CO2. Está cifrada
en 65€/Mwh, Incluyendo tecnologías CSS, sigue siendo más barata que la tecnología solar y la eólica.
Capturar el CO2 procedente de la combustion del carbón, provocara una contención de los precios de electricidad, además de un
aporte contínuo a demanda de la electricidad para la recarga de las baterías incluyendo las horas nocturnas.
De esta manera las ciudades tender vehículos eléctricos, seran lugares libres de contaminación, mientras en las plantas de carbón, se
capturará el CO2, usándolo posteriormente en la generación de biodiesel ( Proyecto Repsol, Puertollano, Spain) y en los invernaderos
dónde se acelerará el ciclo de los vegetales, con el aporte del CO2. ( Proyecto Carboneras, Almería , Spain)
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[1] Plan Estratégico Europeo de Tecnología Energética (EETE). Documento completo
